专利名称：无波面畸变自由空间远距离激光传输模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及空间激光通信、空间激光雷达和空间激光武器等领域，特别是一种激光光束在自由空间远距离传输模拟的装置，主要用于空间激光应用系统激光发射波面在远场特性的模拟和检验。
背景技术：
空间激光应用系统，包括空间激光通信、空间激光雷达和空间激光武器等，都对激光的发射波面有着非常高的要求，这是因为发射终端和目标之间的距离都很远，属于空间远场的范畴，所以其远场分布情况是整个系统性能中需要重点关注的。对于空间激光通信而言，远场分布情况直接决定了激光通信链路的性能，最终影响通信误码率；对于空间激光雷达而言，不仅会影响照明区域的强度分布，还会影响图像重建的质量；而对空间激光武器系统的影响就更为直接，远场的分布和激光武器的打击效果密切相关。但由于空间激光应用系统的作用距离为数百至数万公里，也不可能在空间在轨直接完成其远场分布的性能检测和验证，所以必须在地面实验室内搭建一套模拟系统用来模拟真实的在轨应用环境，在此基础上进行空间激光应用系统性能的检测验证。目前，国内和国外对于自由空间远距离激光光束传输模拟基本都采用傅立叶变换物镜将发射终端的近场波面转化为其焦面上缩小的远场分布，然后采用成像放大和等比缩放的原理模拟几千公里至十几万公里的自由空间光束传输，这种方案可以准确的模拟出远场的强度分布图样，但是其波面和实际的远场分布不同，这对于空间相干激光通信和合成孔径激光成像雷达是不行的。后来中科院上海光机所等人提出了改进的模拟方案，即采用 4_f成像放大系统代替之前的单透镜成像放大，这样可以有效的消除波面的畸变，但是系统的复杂度相对较高，实际装校比较困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种无波面畸变自由空间远距离激光传输模拟装置，以解决在实验室有限的空间内模拟激光在自由空间远距离传输的技术效果。应用于空间激光应用系统，包括空间激光通信、空间激光雷达和空间激光武器等领域，激光发射波面在远场特性的模拟和检验，对于空间激光应用系统的研制和发展具有很大的应用价值。本发明的技术构思是激光光束远距离传输有两个重要特性，一是远场的强度分布，二是远场的波面分布。本发明采用傅立叶变换物镜将近场激光发射波面在其焦平面上转化为缩小的远场分布，然后采用单透镜成像放大系统将缩小的远场分布进行放大，采用带可调衰减器的单模保偏光纤进行小孔采样，模拟自由空间远距离传输的强度分布，然后采用准直平行光管将保偏光纤输出的点光源进行准直，模拟自由空间远距离传输的远场平面波，将光纤头在焦平面上振动，以产生出射平面波的快速扫描，用来模拟运载平台的振动情况。
本发明的技术解决方案如下—种无波面畸变自由空间远距离激光传输模拟装置，特点在于其构成包括长焦距傅立叶透镜、成像放大透镜、可调衰减器的单模保偏光纤、光纤头快速振动装置和激光准直透镜，其位置关系如下在第一被测激光通信终端和第二被测激光通信终端之间，沿光路方向依次是长焦距傅立叶透镜、成像放大透镜、可调衰减器的单模保偏光纤、光纤头快速振动装置和激光准直透镜，所述的长焦距傅立叶透镜的前焦面和第一被测激光通信终端的发射系统的出瞳面重合；所述的成像放大透镜的放大倍率为M，该成像放大透镜的物距就是长焦距傅立叶变换透镜的后焦面离成像放大透镜物方主面的距离，该成像放大透镜的像平面和所述的可调衰减器的单模保偏光纤的输入端面重合；该可调衰减器的单模保偏光纤的输出端置于所述的光纤头快速振动装置上，在该光纤头快速振动装置的驱动电机的驱动下，带动所述的可调衰减器的单模保偏光纤的输出端的光纤头快速振动，该可调衰减器的单模保偏光纤的输出端面和所述的激光准直透镜的前焦平面重合，经所述的激光准直透镜输出的平面波由所述的第二被测激光通信终端接收。所述的驱动电机为压电陶瓷驱动器，或其它类型的快速驱动器。本发明的技术效果本发明无波面畸变自由空间远距离激光传输模拟装置，利用光学傅立叶变换、光学成像放大器、小孔采样、光强衰减和激光准直技术实现了光束的远距离传输光强和相位分布的物理模拟，采用压电陶瓷驱动器带动输出光纤头在激光准直平行光管的前焦面内运动模拟接收激光通信终端运载平台的振动。本发明可应用于卫星激光通信终端的链路通信性能和振动抑制性能的实验室检测，对于空间激光通信终端的研制和发展具有很大的应用价值。
图1为本发明无波面畸变自由空间远距离激光传输模拟装置实施例的光路示意图。图中1-长焦距傅立叶透镜的前焦面，2-长焦距傅立叶透镜，3-长焦距傅立叶变换透镜的后焦面，4-成像放大透镜，5-成像放大透镜像平面，6-可调衰减器的单模保偏光纤，7-光纤头快速振动装置，8-激光准直透镜焦平面，9-激光准直透镜，10-第一被测终端， 11-第二被测终端。图2为本发明光纤头快速振动装置示意图。图中12-光纤头支架，13-底座，14-右固定螺钉，15-左固定螺钉，16-压电陶瓷驱动器底座，17-下调整螺杆，18-左调整螺杆，19-光纤头，20-上调整螺杆，21-右调整螺杆，22-压电陶瓷驱动器。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1为本发明无波面畸变自由空间远距离激光传输模拟装置的实施例光路示意图。由图可见，本发明实施例无波面畸变自由空间远距离激光传输模拟装置， 包括长焦距傅立叶透镜2、成像放大透镜4、可调衰减器的单模保偏光纤6、光纤头快速振动装置7和激光准直透镜9，其位置关系如下在第一被测激光通信终端10和第二被测激光通信终端11之间，沿光路方向依次是长焦距傅立叶透镜2、成像放大透镜4、可调衰减器的单模保偏光纤6、光纤头快速振动装置7和激光准直透镜9，所述的长焦距傅立叶透镜2的前焦面1和第一被测激光通信终端10 的发射系统的出瞳面重合；所述的成像放大透镜4的放大倍率为M,该成像放大透镜4的物距就是长焦距傅立叶变换透镜的后焦面3离成像放大透镜4物方主面的距离，该成像放大透镜的像平面5和所述的可调衰减器的单模保偏光纤6的输入端面重合；该可调衰减器的单模保偏光纤6的输出端置于所述的光纤头快速振动装置7上，在该光纤头快速振动装置 7的压电陶瓷驱动器22的驱动下，带动所述的可调衰减器的单模保偏光纤6的输出端的光纤头快速振动，该可调衰减器的单模保偏光纤6的输出端面和所述的激光准直透镜9的前焦平面8重合，经所述的激光准直透镜9输出的平面波由所述的第二被测激光通信终端11 接收。第一被测激光通信终端10出瞳位置的发射激光光束经过长焦距傅立叶透镜2变换后，在长焦距傅立叶变换透镜后焦面3处形成缩小的远场分布，以此平面作为成像放大透镜4的物平面3，经过成像放大透镜4成像后，在成像放大透镜的像平面5得到放大了的远场光强度分布图样，但此时的远场分布相位有附加的相位两次项，经过可调衰减器的单模保偏光纤6的接收光纤头耦合后，由于单模光纤天然的选模特性，只有和单模光纤匹配的模式才有可能在光纤中传播，因此在可调衰减器的单模保偏光纤6的输出端仅仅保留了远场光强度分布的信息，附加的相位两次项经过光纤耦合后已经去除掉，将可调衰减器的单模保偏光纤6的输出端置于所述的激光准直透镜9的前焦平面8上，经过激光准直透镜9 准直后形成平面波，最后由第二被测激光通信终端11接收。另外，可调衰减器的单模保偏光纤6的输出端通过光纤头快速振动装置7带动快速振动，模拟卫星平台的振动情况，图2 为本发明光纤头快速振动装置7的结构示意图。图中12-光纤头支架，13-底座，14-右固定螺钉，15-左固定螺钉，16-压电陶瓷驱动器底座，17-下调整螺杆，18-左调整螺杆，19-光纤头，20-上调整螺杆，21-右调整螺杆，22-压电陶瓷驱动器。在所述的压电陶瓷驱动器的驱动下，所述的可调衰减器的单模保偏光纤6的输出端就产生振动，模拟卫星平台的振动情况。假设第一被测激光通信终端10发射的光场为(x, y)，在空间实际条件下，光场传输几千至几万公里后，其接收端的光场分布是发射端的夫琅和费衍射
权利要求
1.一种无波面畸变自由空间远距离激光传输模拟装置，特征在于其构成包括长焦距傅立叶透镜O)、成像放大透镜G)、可调衰减器的单模保偏光纤(6)、光纤头快速振动装置 (7)和激光准直透镜(9)，其位置关系如下在第一被测激光通信终端(10)和第二被测激光通信终端(11)之间，沿光路方向依次是长焦距傅立叶透镜O)、成像放大透镜G)、可调衰减器的单模保偏光纤(6)、光纤头快速振动装置(7)和激光准直透镜(9)，所述的长焦距傅立叶透镜⑵的前焦面⑴和第一被测激光通信终端(10)的发射系统的出瞳面重合；所述的成像放大透镜的放大倍率为M， 该成像放大透镜(4)的物距就是长焦距傅立叶变换透镜的后焦面(；3)离成像放大透镜(4) 物方主面的距离，该成像放大透镜的像平面( 和所述的可调衰减器的单模保偏光纤(6) 的输入端面重合；该可调衰减器的单模保偏光纤(6)的输出端置于所述的光纤头快速振动装置(7)上，在该光纤头快速振动装置(7)的驱动电机的驱动下，带动所述的可调衰减器的单模保偏光纤(6)的输出端的光纤头快速振动，该可调衰减器的单模保偏光纤(6)的输出端面和所述的激光准直透镜(9)的前焦平面(8)重合，经所述的激光准直透镜(9)输出的平面波由所述的第二被测激光通信终端(11)接收。
2.根据权利要求1所述的无波面畸变自由空间远距离激光传输模拟装置，其特征在于所述的驱动电机为压电陶瓷驱动器，或其它类型的快速驱动器。
全文摘要
一种无波面畸变自由空间远距离激光传输装置，该装置采用长焦距傅立叶透镜实现光学傅立叶远场变换、单级单透镜成像放大、光纤采样、光纤衰减、激光准直实现光场远距离传输模拟，并采用输出光纤头抖动实现卫星平台振动的模拟。本发明可在实验室空间尺度下模拟光束从近场分布到远场分布的转换，能够同时卫星平台振动的模拟。主要用于两个卫星激光通信终端的通信和跟瞄性能的地面检测与验证，具有结构简单、成本低、易于调节、适用性广的优点。
文档编号H04B10/10GK102412898SQ201110363840
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者刘立人, 孙建锋, 戴恩文, 闫爱民 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所